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Una comparación de los dos sistemas de medición para aplicaciones de mesa giratoria

Magnética frente a óptica

Los sistemas de medición angular para mesas giratorias ejercen una influencia importante sobre la calidad de mecanización de las máquinas-herramienta, y con ello, sobre la precisión y la calidad superficial de las piezas

Cuando se pregunta por el sistema de medición óptimo para accionamientos directos altamente dinámicos se suele optar en la actualidad por los sistemas ópticos. Pero los sistemas de medición magnéticos pueden ser una alternativa viable para el uso en los ejes de mesa giratoria en función de los requerimientos de la aplicación concreta. La comparación directa de ambos sistemas de medición en una mesa giratoria con accionamiento en forma de motor rotativo (torque) nos permite explicar sus respectivas características y consecuencias.

Existe una amplia gama de potentes componentes de accionamiento de aplicación en mesas giratorias que sirven tanto para trabajos de fresado como de torneado. Con ello hacemos referencia especialmente a los motores rotativos (torque) y los convertidores y reguladores pertinentes, así como a los rodamientos adaptados para mesas giratorias.

Cuando se ha de elegir un sistema de medición angular para ejes de mesa giratoria altamente dinámicos y de accionamiento directo, y que sirva para el mecanizado combinado de fresado y torneado, hoy en día se suele dar preferencia a los sistemas de medición ópticos con máxima precisión y resolución angular. Sin embargo, en vista del principio empleado para la medición óptica, se deben tomar medidas especiales de protección contra la suciedad en forma de, por ejemplo, lubricantes refrigerantes o grasas para rodamientos. Los encoders ópticos suelen estar disponibles como encoders rotativos incorporados que se montan en el centro de la mesa giratoria y cuentan con un acoplamiento compensador propio de flexibilidad mecánica. De ello podemos deducir que el paso axial por el centro no está disponible para los conductores de medios, y que se debe tener en cuenta, sobre todo, la rigidez mecánica cuando se acopla el sistema de medición a la mesa giratoria de accionamiento directo, con el objetivo de conseguir una elevada rigidez de regulación.

En este artículo comparamos un encóder rotativo óptico, a modo de ejemplo, con el sistema de medición angular magnetoresistente, incremental e integrado en el rodamiento YRTSM de Schaeffler KG; este último ofrece ventajas en términos de resistencia a los lubricantes refrigerantes y grasas para rodamientos, permite un montaje en espacios reducidos y garantiza, por su propio principio constructivo, el paso libre por el centro. La comparación se llevó a cabo en el marco de un proyecto de desarrollo común entre Schaeffler KG y Werkzeugmaschinenlabor (Laboratorio para máquinas-herramienta, WZL) de la universidad RWTH Aachen, en Aquisgrán, en una mesa giratoria adaptada al uso práctico, que para esta finalidad se había equipado paralelamente con ambos sistemas de medición.

Una mesa giratoria con accionamiento directo, equipada con dos sistemas de medición angular, uno óptico y otro magnetorresistente

Datos característicos de los sistemas de medición angular y la mesa giratoria

Como sistema de medición de referencia se utilizó un encoder rotativo óptico de alta resolución, con 36.000 marcas de referencia por revolución; se instaló el encoder en el extremo inferior del eje de la mesa giratoria, a la altura del motor.

Rodamiento de mesa giratoria YRTS con sistema de medición angular YRTSpeed_M

El sistema de medición incremental y magnetoresistente YRTSM está adaptado a la serie de rodamientos YRTS que están disponibles con diferentes diámetros de agujero y que alcanzan un elevado número límite de revoluciones. En este caso concreto se empleó un rodamiento del tipo YRTS325 con un diámetro interior de 325 mm y un número límite de revoluciones de 760 min-1. La división angular magnética está aplicada en unión material sobre el disco-eje rotatorio del rodamiento; éste se explora mediante dos cabezales de sensor que están dispuestos con un descentramiento angular de 180º y se embridan directamente al bastidor de la mesa giratoria (imagen 3). Mediante la exploración de dos cabezales se garantiza que se compensen dentro del sistema los posibles desplazamientos de centraje provocados por las fuerzas de mecanización, consiguiendo de esta manera una precisión de medición absoluta, inferior a +/- 3".

Estructura constructiva de la mesa giratoria con ambos sistemas de medición angular

Además, este tipo de exploración permite duplicar la resolución angular, de manera que se transmite una señal formada por 5.184 marcas de referencia por revolución. Las señales procedentes de ambos cabezales se unen en una electrónica de procesamiento que se conecta, a la vez, a un control CN. En el desarrollo de la electrónica de procesamiento se hizo especial hincapié en conseguir un tiempo de ciclo de cálculo lo más corto posible, lo que permite obtener unos tiempos de retardo reducidos y, por consiguiente, una máxima calidad de control.

El accionamiento de la mesa giratoria se realiza mediante un motor rotativo (torque) del tipo RE11-3P-410x50 del fabricante IDAM, con un par nominal sin refrigerar de 307 Nm; el control utilizado fue un Sinumerik 840D/611D con control automático Performance.

Resultados de los estudios comparativos

Como primera fase de los estudios se optimizaron los ajustes de regulador y filtro en la mesa giratoria, que estaba lista para entrar en servicio. Era posible limitar los filtros de valor de consigna de corriente a un filtro de paso bajo que se redujo para ambos sistemas de medición de 2 kHz (ajuste estándar) a 1 kHz, mientras que las magnitudes de ajustes adicionales y otros factores de influencia (p.e. las funciones de conexión adicional, el filtro de valor de consigna de velocidad) quedaron completamente desconectados. Se determinaron, para cada uno de los sistemas de medición, dos juegos con ajustes de regulación de diferentes requisitos; en ambos sistemas se aplicaron los mismos principios de optimización para facilitar la comparación en la determinación de los parámetros. Como "moderados" se denominaron los ajustes para el funcionamiento de producción; para ello se admitió una amplificación de amplitud en la respuesta de frecuencia de dirección del regulador de revoluciones de un valor máximo de +3 dB, mientras que en el bucle de control de posición no se permitió una amplitud positiva en ninguna gama de frecuencia. De esta manera se excluye que debido a la excitación de oscilaciones parásitas puedan producirse sobreoscilaciones y con ello, daños en los contornos de la pieza. Los ajustes "máximos" llevaron el sistema hasta el límite de estabilidad, para determinar el potencial dinámico de la mesa giratoria. Los ajustes realizados pueden consultarse en la tabla inferior. Gracias a los ajustes de filtro modificados era posible incrementar considerablemente la parte proporcional del regulador de velocidad (KP) en ambos sistemas de medición, lo que benefició mucho la dinámica de la mesa giratoria.

Resumen de los ajustes de regulación determinados para ambos sistemas de medición

Una vez optimizada la regulación, el sistema magnético de medición YRTSM permitió, en la comparación directa, unos ajustes de regulación algo más elevados. En la respuesta de frecuencia de dirección del regulador de velocidad resultó que el sistema óptico de medición estaba limitado por una oscilación en aprox. 550 Hz, mientras que el sistema de medición magnético llegó al límite de estabilidad con un valor KP más elevado, mediante una oscilación en aprox. 500 Hz. Con estos ajustes, las respuestas graduales de los bucles de control eran estables en ambos sistemas de medición; no mostraron sobreoscilaciones inadmisibles. Gracias a un análisis modal de la estructura de la mesa en la banda de 150 a 2.000 Hz se pudo demostrar que a 550 Hz se había producido una fuerte oscilación de descentrado entre la carcasa del sistema óptico de medición y el bastidor de la mesa giratoria; probablemente el acoplamiento del sistema óptico de medición no había podido compensarla por completo lo que, a continuación, dio lugar a los errores de medición.

Comparación de la respuesta de frecuencia de dirección del bucle de control de velocidad de ambos sistemas

El sistema de medición magnético se benefició, en cambio, de la fijación mecánica rígida, directamente al rodamiento de la mesa giratoria. Ya en el pasado había sido posible demostrar los efectos que tenía el montaje del sistema de medición en los accionamientos directos sobre los ajustes de regulación [1]. El análisis modal identificó, además de esta dominante forma de oscilación propia, otras frecuencias naturales, que se registran en menor medida en la respuesta de frecuencia de dirección, o que se hallan fuera de los anchos de banda relevantes de regulación.

Ambos sistemas de medición permiten un sincronismo estable. La calidad de la señal de velocidad se rigió por la resolución del sistema de medición utilizado; se pudo mejorar al utilizar un filtro de valor efectivo de la velocidad. También ejerce una influencia importante la regulación dinámica de rigidez (Dynamic Servo Control (DSC)) del mando de Siemens, que desplaza el cálculo interno del regulador de posición del control al accionamiento, eliminando de esta manera el tiempo de retardo interno del sistema de la interfaz del valor de consigna de velocidad [2]. La activación de esta función adicional mejoró claramente el comportamiento parásito de baja frecuencia del control con el sistema de medición magnetoresistente.

Comparación de las respuestas graduales del bucle de control de posición de ambos sistemas

El resultado final indicó que el comportamiento dinámico de la mesa giratoria con ambos sistemas de medición conectados al control de Siemens 840D/611D era comparable; se mostró que el sistema de medición magnético no le tiene nada que envidiar al sistema de medición óptico en términos de ajuste y comportamiento dinámico. Al contrario, era incluso posible conseguir unos ajustes de control más elevados con el sistema de medición magnético, que quedaron reflejados por las diferencias mínimas. En comparación con los ajustes moderados que cumplieron los requisitos de ajuste arriba indicados, los parámetros máximos consiguieron una reducción adicional del tiempo de subida de las respuestas graduales (al 95% de la discontinuidad real) en un 20-25% en ambos bucles de control y para ambos sistemas de medición. Con ello, el tiempo de subida en el bucle de control de la posición ascendió a un valor mínimo de 67 ms para una discontinuidad de 0,5°, mientras que una discontinuidad nominal de 1 min-1 ocupó unos 8 ms, correspondientemente, en el bucle de control de la velocidad. Asimismo, las sobreoscilaciones en las respuestas graduales del bucle de control de la velocidad disminuyeron en un 5-10%.

Comparación de las respuestas graduales del bucle de control de velocidad de ambos sistemas

Comparación del calentamiento de la bobina de motor con ambos sistemas de medición

En función de la diferencia de resolución de ambos sistemas de medición, las señales de velocidad tuvieron un nivel ruidoso de distinta intensidad; era necesario pasarlas de nuevo por un filtro de paso bajo de 1 kHz. El ruido más acentuado del sistema de medición magnético se mostró también en la corriente que representa el par, pero no se tradujo en un calentamiento adicional del motor. Se realizaron las correspondientes mediciones de temperatura durante el servicio continuo intermitente sin refrigeración de agua en las bobinas del motor rotativo basándose en un ciclo de procedimiento que correspondía a la aplicación práctica. Las temperaturas medidas en régimen constante se diferencian en menos de 0,5 K, comparando ambos sistemas de medición en los diferentes puntos de medición.

Paralelamente a los estudios de la técnica de medición se desarrolló un modelo de simulación de la mesa giratoria en Matlab/Simulink que refleja las características del sistema mecánico y su control automático. La representación completa de la regulación en cascada, con los diferentes filtros, los diferentes tiempos de exploración, así como las características del motor y las correspondientes inercias de masa, permitió imitar el comportamiento dinámico de la mesa giratoria. Además, al integrar los detalles del ruido de medición que se ha medido realmente en los sistemas de medición simulados ha sido posible mejorar aún más los resultados de la simulación. El modelo demostró claramente con las variaciones de las características de sistema de medición y los parámetros de regulación hasta qué punto dependía la dinámica del sistema de los ajustes de control realizables y de las características del sistema de medición.

El modelado de la mesa giratoria mostró, además, que la energía disipada de la corriente que representa el par en el motor que depende del momento de carga, es un valor múltiplo del valor de la energía disipada por el ruido de corriente. En el funcionamiento real, la refrigeración del motor debería llevar a una reducción adicional del calentamiento de las bobinas de motor que se debe al ruido de corriente.

Resumen

Un eje de mesa giratoria equipado con un encóder rotativo óptico se completó con el sistema de medición angular magnetoresistente YRTSM de Schaeffler KG para realizar una comparación directa. Se realizó una optimización de ajuste y filtro, un análisis del comportamiento dinámico y el análisis modal de la estructura de mesa y el comportamiento de calentamiento durante el servicio continuo, en cooperación con WZL, de lo que resultó un comportamiento generalmente comparable de la mesa giratoria con ambos sistemas de medición.

El sistema de medición angular YRTSM, de base magnetoresistente y que está completamente integrado en el diseño constructivo del rodamiento, ofrece una solución económica para una gran variedad de aplicaciones y presenta ventajas constructivas, sin que ello comporte deficiencias en cuanto a la dinámica del sistema de eje circular o en una energía disipada cuantificable en el motor rotativo (torque). Pero cuando existe una exigencia máxima en lo que respecta al sincronismo, como ocurre, por ejemplo, en las aplicaciones de ultraprecisión, puede ser necesaria la instalación de encoders rotativos ópticos de alta resolución en los ejes de mesa giratoria de accionamiento directo de máquinasherramienta.

[1] Weck, M.; Brecher, C.; Krüger, P.: Grenzen für die Reglereinstellung bei elektrischen Lineardirektantrieben (Los límites del ajuste de regulación en los accionamientos directos lineales eléctricos) Vereinigte Fachverlage, antriebstechnik 38 (1999), Nº 2/3, pág. 55-58 y 71-76

[2] N.N.: Manual de Siemens: SINUMERIK 840Di, edición 01/2005, pág. 10-327

Autores:
Dipl.-Ing. A. Schmidt
Dipl.-Ing. T. Ostermann
Dipl.- Ing. W. Herfs
Prof. Dr.-Ing. C. Brecher
Dipl.-Ing. (FH) Günter Schmid

SCHAEFFLER

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